JP2012135117A - 非接触電力伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】インピーダンス調整の際に負荷情報を受電機側から送電機側へ伝送する無線通信装置を不要にする。
【解決手段】非接触電力伝送システムは、送電共振器２４０と、受電共振器３１０と、送電共振器２４０の入力インピーダンスと電源２１０の出力インピーダンスとを整合させるための整合回路２２０と、送電共振器２４０に入力される交流信号を検出する検出部２３０と、検出部２３０によって検出した交流信号の変動に基づいて送電共振器３１０の入力インピーダンスと電源２１０の出力インピーダンスとを整合させるように整合回路２２０を制御するインピーダンス制御部２５０とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は非接触電力伝送システムに関する。

近年、充電作業の簡略化や接点不良防止などの安全対策を目的として、携帯電話機、デジタルカメラなどの携帯電子機器や電気自動車などにおいて非接触電力伝送技術の応用が検討されている。これらの電力伝送では環境面への配慮から、伝送効率を高めることが求められている。

特許文献１には２つの共鳴コイル間の距離や負荷が変化しても、交流電源の出力周波数を変更せずに、効率良く負荷に電力供給可能な技術が開示されている。特許文献１の図１および図２に開示された非接触電力伝送装置は、交流電源と、交流電源に接続された１次コイルと、１次側共鳴コイルと、２次側共鳴コイルと、２次コイルと、２次コイルに接続された負荷と、交流電源および１次コイルの間に設けられたインピーダンス可変回路とを備える。１次コイル、１次側共鳴コイル、２次側共鳴コイル、２次コイル及び負荷は、共鳴系を構成している。特許文献１の非接触電力伝送装置は、さらに、共鳴系の状態を検出する状態検出手段を備えている。インピーダンス可変回路は、状態検出手段の検出結果に基づいて、共鳴系の共鳴周波数における入力インピーダンスと、１次コイルより交流電源側のインピーダンスとを整合させる。

ここで、共鳴系の状態とは、１次側共鳴コイルと２次側共鳴コイルとの位置関係（例えば、両者の距離）や負荷の大きさのように、共鳴周波数における共鳴系の入力インピーダンスに影響を与えるものである。位置関係は１次側に設置された距離センサにて検出される。一方、負荷は、２次側に設置された充電量センサのデータを別途用意された無線通信装置により１次側に伝送することにより、１次側で検出される。

特許文献１に開示された発明によれば、状態検出手段によって共鳴系の状態、例えば２つの共鳴コイル間の距離や負荷が検出される。共鳴系の状態が基準とした状態から変化すると、予めメモリに記録されたインピーダンスデータを元に、インピーダンス可変回路によって、共鳴系の共鳴周波数における入力インピーダンスと、１次コイルより交流電源側のインピーダンスとが整合される。これにより、２つの共鳴コイル間の距離や負荷が変化した場合に、交流電源の交流出力電圧の周波数を変更することなく、交流電源への反射電力を低減させることができる。その結果、効率良く負荷に電力を供給することができる。

特開２０１０−１４１９７６号公報

N. O. Sokal, "Class-E RF power amplifiers", QEX., no. 204, pp. 9-20, Jan./Feb. 2001

従来の非接触電力伝送装置では、インピーダンス調整の際に、負荷情報を受電側（２次側）から送電側（１次側）へ伝送する無線通信装置が必要である。また、予め記録された負荷情報に対するインピーダンスのデータに基づいてインピーダンス調整が行われるため、例えば充電池の経年変化などに起因する負荷の特性変化に対応できないという課題があった。

本発明は、上記課題を解決すべく、無線通信装置を用いることなく、送電側の情報のみに基づいて、負荷の変動、および負荷の特性変化に応じた動的なインピーダンス調整を行い、効率の良い非接触電力伝送を実現することを目的とする。

本発明の非接触電力伝送システムは、電源から供給された交流エネルギの少なくとも一部を送出する送電共振器と、前記送電共振器によって送出されたエネルギの少なくとも一部を受け取る受電共振器と、前記電源および前記送電共振器の間に接続された整合回路と、前記整合回路の出力に基づく交流信号を検出する検出部と、前記検出部によって検出した前記交流信号に基づいて、前記送電共振器の入力インピーダンスと前記電源の出力インピーダンスとを整合させるように前記整合回路を制御するインピーダンス制御部とを備えている。

ある実施形態において、非接触電力伝送システムは、前記電源をさらに備えている。

ある実施形態において、前記送電共振器の共振周波数および前記受電共振器の共振周波数は、前記電源から出力される前記交流エネルギの周波数に等しい値に設定されている。

ある実施形態において、前記送電共振器および前記受電共振器の少なくとも一方は、直列共振回路である。

ある実施形態において、前記送電共振器および前記受電共振器の少なくとも一方は、並列共振回路である。

ある実施形態において、前記インピーダンス制御部は、前記交流信号の波形に基づいて前記整合回路のインダクタンスおよび容量の少なくとも一方を変化させることによって前記送電共振器の入力インピーダンスと前記電源の出力インピーダンスとを整合させる。

ある実施形態において、非接触電力伝送システムは、前記受電共振器が受け取った交流エネルギを直流エネルギに変換する整流部をさらに備えている。

ある実施形態において、非接触電力伝送システムは、前記受電共振器が受け取った交流エネルギの少なくとも一部を消費する負荷をさらに備えている。

ある実施形態において、前記整合回路は、可変コンデンサおよび可変コイルの少なくとも一方を有し、前記インピーダンス制御部からの指示に基づき、前記可変コンデンサの容量および前記可変コイルのインダクタンスの少なくとも一方を変化させることによって前記送電共振器の入力インピーダンスと前記電源の出力インピーダンスとを整合させる。

ある実施形態において、前記整合回路は、並列に接続された複数の回路素子を有する切り替え式の回路であり、前記インピーダンス制御部からの指示に基づき、前記複数の回路素子の組み合わせを切り替えることにより、前記送電共振器の入力インピーダンスと前記電源の出力インピーダンスとを整合させる。

ある実施形態において、非接触電力伝送システムは、前記電源から出力される交流エネルギの量を制御する電力制御部をさらに備え、前記インピーダンス制御部は、前記交流信号から前記負荷のインピーダンス値を推定し、前記電力制御部は、前記インピーダンス制御部によって推定された前記負荷のインピーダンス値に基づいて、前記電源の出力を制御する。

ある実施形態において、前記電力制御部は、前記負荷のインピーダンス値が予め設定された閾値を超えた場合に、前記電源の出力を停止させる。

ある実施形態において、前記電力制御部は、前記負荷のインピーダンス値が予め設定された閾値より低くなった場合に、前記電源の出力を復帰させる。

ある実施形態において、前記電力制御部は、前記送電共振器の入力インピーダンスと前記電源の出力インピーダンスとの間のインピーダンス整合が完了するまでは、前記電源の出力を相対的に低いレベルに抑え、前記送電アンテナのインピーダンス整合が完了した後は、前記電源の出力を相対的に高いレベルにする。

ある実施形態において、非接触電力伝送システムは、前記インピーダンス制御部によって推定された前記負荷のインピーダンス値に基づいて、前記電源に出力させる前記交流エネルギの量を算出する電力算出部をさらに備え、前記電力制御部は、前記電力算出部が算出した量の前記交流エネルギを前記電源に出力させる。

ある実施形態において、前記電力算出部は、前記負荷のインピーダンス値が予め設定された値以外の場合は、前記電源に出力させる電力の量をゼロに設定する。

ある実施形態において、前記交流エネルギは、磁気共振現象によって前記送電共振器から前記受電共振器へと伝送される。

ある実施形態において、前記電源は、周波数１ＭＨｚ以上の交流信号を前記整合回路に入力する発振回路を備えている。

ある実施形態において、前記発振回路は、Ｅ級発振回路である。

本発明の送電装置は、本発明の非接触電力伝送システムにおいて用いられる送電装置であって、電源から供給された交流エネルギの少なくとも一部を送出する送電共振器と、前記電源および前記送電共振器の間に接続された整合回路と、前記整合回路の出力に基づく交流信号を検出する検出部と、前記検出部によって検出した前記交流信号に基づいて、前記送電共振器の入力インピーダンスと前記電源の出力インピーダンスとを整合させるように前記整合回路を制御するインピーダンス制御部とを備えている。

ある実施形態において、送電装置は、前記電源をさらに備えている。

本発明の受電装置は、本発明の非接触電力伝送システムにおいて用いられる受電装置であって、前記送電共振器によって送出されたエネルギの少なくとも一部を受け取る受電共振器と、前記受電共振器が受け取ったエネルギの少なくとも一部を消費する負荷とを備えている。

本発明の非接触電力伝送システムによれば、送受間で負荷情報を伝送する無線通信装置を設けることなく、負荷変動や負荷の特性変化に応じた動的なインピーダンス制御を行うことができる。さらに、本発明の一実施形態によれば、受電共振器側の負荷の変動に応じて最適な電力供給を行うことができる。その結果、電力伝送の効率を高めることが可能となる。

本発明の実施形態１における非接触電力伝送システムの構成を示す図 実施形態１における送電共振器および受電共振器の等価回路の例を示す図 Ｅ級発振回路の回路構成を示す図 実施形態１における非接触電力伝送システムの整合回路を示す図 実施形態１における非接触電力伝送システムの動作を示すフローチャート 実施形態１における非接触電力伝送システムの交流波形を示す図 実施形態１における非接触電力伝送システムの切り替え方式の整合回路を示す図 実施形態２における非接触電力伝送システムの動作を示すフローチャート 実施形態３における非接触電力伝送システムの構成を示す図 実施形態３における非接触電力伝送システムの電力算出部の動作を示すフローチャート

以下、添付の図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を説明する。以下の説明において、同一または対応する要素には同一の符号を付している。

（実施形態１）
まず、本発明の第１の実施形態を説明する。本実施形態の非接触電力伝送システムは、送電機側に、整合回路と、整合検出部と、インピーダンス制御部と、インピーダンス値に基づいて供給電力を制御する供給電力制御部とを備える。このような構成により、送受間の通信装置が無くても、負荷変動に応じた動的なインピーダンス制御、供給電力制御を行い、電力伝送効率を高めることができる。

図１は、本実施形態における非接触電力伝送システム１００の構成を示す構成図である。非接触電力伝送システム１００は、電力（エネルギ）を空間に送出する送電機２００と、送電機２００によって送出された電力の少なくとも一部を受け取り、負荷により電力を消費する受電機３００とから構成される。

送電機２００は、周波数ｆ０の交流電力を供給する交流電源２１０と、交流電源２１０に接続され送電側のインピーダンス整合を行うための整合回路２２０と、整合回路２２０通過後の交流波形からその電圧または電流成分である交流信号を検出する整合検出部２３０と、予め設定された固有の共振周波数を有し受電機３００へ非接触で電力を伝送する送電共振器２４０とを有する。インピーダンス制御部２５０は、整合検出部２３０が検出した交流信号に基づいて、負荷３３０のインピーダンス値を推定し、整合回路２２０の回路定数を変更する制御を行う。供給電力制御部２６０は、インピーダンス制御部２５０によって推定された負荷インピーダンス値に基づいて、交流電源２１０から出力される電力を調整する。電力伝送時には、交流電源２１０から出力される交流電力の周波数ｆ０は、送電共振器２４０の共振周波数に等しくなるよう設定される。

受電機３００は、送電共振器２４０から送出される交流電力を空間を介して受け取る受電共振器３１０と、受け取った交流電力を整流し直流電力に変換する整流回路３２０と、受け取った電力を消費する負荷３３０とを有する。受電共振器３１０の共振周波数は、送電共振器２４０の共振周波数に等しくなるよう設定される。

以下、本実施形態における非接触電力伝送を説明する。本実施形態における送電共振器２４０および受電共振器３１０は、放射電磁界を用いて信号を伝送する通常の共振器ではなく、磁界の近接成分（エバネッセント・テール）を利用して２つの物体間でエネルギの伝送を行うための要素である。このような磁気共振現象を利用した無線電力伝送によれば、ファラデーの電磁誘導の法則を利用した公知の非接触電力伝送に比べてエネルギ損失を低下させることができ高い効率で電力を伝送することが可能であり、例えば、数メートルも離れた２つの共振器（アンテナ）間で高効率にエネルギを伝送することが可能になる。

このような原理に基づく無線電力伝送を行うには、２つの共振器を同一周波数で共振させる必要があり、上述のように交流電源２１０の発振周波数ｆ０は、本実施形態における送電共振器２４０の共振周波数および受電共振器３１０の共振周波数に等しくなるよう設定される。

図２は、本実施形態において用いられる送電共振器２４０および受電共振器３１０の等価回路の例を示している。図示されるように、送電共振器２４０および受電共振器３１０は、インダクタと容量素子とを含む共振回路である。図示される例では、送電共振器２４０は直列共振回路であり、受電共振器３１０は並列共振回路であるが、本実施形態はこのような例に限られるものではない。送電共振器２４０および受電共振器３１０は、直列共振回路であってもよいし、並列共振回路であってもよい。

各インダクタは、良好な導電率を有する銅や銀などの導電体から好適に形成され得る。交流電流は、導電体の表面を集中して流れるため、発電効率を高めるために導電体の表面を高導電率材料で被覆してもよい。導電体の断面中央に空洞を有する構成からインダクタを形成すると、軽量化を実現することができる。更に、リッツ線などの並列配線構造を採用してインダクタを形成すれば、単位長さあたりの導体損失を低減できるため、共振回路のＱ値を向上させることができ、より高い効率で電力伝送が可能になる。

容量素子には、例えばチップ形状、リード形状を有する、あらゆるタイプのキャパシタを利用できる。また、空気を介した２配線間の容量を容量素子として機能させることも可能である。

交流電源２１０は、例えば、外部から供給される直流電力または交流電力を周波数ｆ０の交流電力に変換して出力する発振器を備えている。発振器には、Ｄ級、Ｅ級、Ｆ級などの、高効率且つ低歪な特性を実現できる増幅器を用いることができる。以下の説明では、Ｅ級発振器を用いる場合について説明する。図３は、本実施形態における発振器の回路構成を示す図である。発振器は、ＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子２１、インダクタ２２、２３、コンデンサ２４、２５を含んでいる。スイッチング素子２１へのゲート駆動パルスとして周波数ｆ０のパルスが入力される。インダクタ２２、２３のインダクタンスおよびコンデンサ２４、２５の容量は、交流電源２１０から出力される交流エネルギの周波数がｆ０になるように調整されている。周波数ｆ０は、例えば１ＭＨｚ〜３０ＭＨｚの範囲内に設定される。

整合回路２２０は、交流電源２１０の出力インピーダンスと送電共振器２４０の入力インピーダンスとを整合させるための回路である。図４は、本実施形態で利用できる整合回路２２０の回路構成の一例を示している。整合回路２２０は、グランドに接続される並列コンデンサＣ１、直列コンデンサＣ２、直列コイルＬを含んでいる。これらの各部品の定数を変更することによりインピーダンス整合を行う。実際の制御の方法については後述する。

整合検出部２３０は、整合回路２２０から送電共振器２４０に入力される交流波形からその電圧または電流成分である交流信号を検出する検出器である。整合検出部２３０は、電圧または電流の変動を検出できる回路であれば、公知のどのような構成を有していてもよい。

インピーダンス制御部２５０は、整合検出部２３０によって検出された交流信号に基づいて、整合回路２２０のフィードバック制御を行い、インピーダンス整合を実施する。インピーダンス制御部２５０による制御の詳細は後述する。また、整合インピーダンス値から、負荷のインピーダンス値を推定する。インピーダンス制御部２５０は、不図示のメモリに記録された、整合インピーダンス値と負荷インピーダンス値との対応関係を示す情報に基づいて上記の推定を行う。この対応関係は、例えば、テーブルとして規定されていてもよいし、計算式として規定されていてもよい。

供給電力制御部２６０は、インピーダンス制御部２５０によって推定された負荷のインピーダンス値に基づいて、供給電力が適切になるように交流電源２１０の出力を制御する。供給電力制御部２６０による制御の詳細は後述する。

整流回路３２０には、公知の整流回路を用いることができる。例えば、両波整流回路やブリッジ整流回路を利用できる。また、半波倍電圧整流回路や両波倍電圧整流回路を用いてもよいし、３倍以上の昇圧比を実現できる高倍圧整流回路方式を用いることもできる。

負荷３３０は、電気で動作する負荷であればどのようなものでもよい。負荷３３０は、例えば、携帯電話機やノートパソコンなどに内蔵された二次電池や、電気自動車に搭載された二次電池あるいはモータなどであり得る。

上記のように構成された非接触電力伝送システム１００の動作について、図５を参照しながら説明する。図５は非接触電力伝送システム１００の動作を示すフローチャートである。まず、送電機２００から受電機３００に対して電力供給が開始される（Ｓ１１０）。電力供給開始後、整合検出部２３０にて交流信号を常時モニターし、インピーダンス制御部２５０により、後述する方法にて整合回路２２０を制御することにより、インピーダンス整合を行う（Ｓ１２０）。続いて、供給電力制御部２６０はインピーダンス制御部２５０により推定された負荷インピーダンス値が、閾値を超えたか否かを判定する（Ｓ１３０）。負荷インピーダンス値が上昇して予め設定された閾値を超えた（ハイ・インピーダンス状態）場合、供給電力制御部２６０は交流電源２１０の電力供給を停止させ（Ｓ１４０）、処理を終了する。ステップＳ１３０において、供給電力制御部２６０により負荷インピーダンス値が予め設定された閾値を超えていないと判定された場合、電力供給は継続され、Ｓ１２０の処理が繰り返される。なお、上記の処理のサイクルは、任意に設定してよい。

本実施形態では、整合検出部２３０によって、整合回路２２０通過後の交流波形の電圧または電流成分である交流信号が常時モニターされる。図６は、整合検出部２３０によってモニターされる交流信号から生成した交流波形の一例を示している。図６において、横軸は時間、縦軸は電圧値を示している。交流波形の極小値（点Ａ）が０Ｖのときはインピーダンスが整合しており、反射による損失が発生しない理想的な状態である。この状態から送電共振器２４０の入力インピーダンス値が上昇すると、点Ａの電圧は高くなり、インピーダンス値が下がると点Ａの電圧は低くなる（図４（ａ））。

ここで、非特許文献１に開示されているように、極小値（点Ａ）は、整合回路２２０の並列コンデンサＣ１、直列コンデンサＣ２、直列コイルＬの定数の変化に応じて変動する。図６（ｂ）は、Ｃ１、Ｃ２の容量およびＬのインダクタンスの変化に対する点Ａの挙動を模式的に示している。コンデンサＣ２の容量、コイルＬのインダクタンスを減少させると、点Ａは図６（ｂ）の１の方向へ移動する。コンデンサＣ１の容量を増加させると、点Ａは２の方向へ移動する。コンデンサＣ１の容量を減少させると、点Ａは３の方向へ移動する。コンデンサＣ２の容量、コイルＬのインダクタンスを増加させると点Ａは４の方向へ移動する。したがって、図６（ａ）に示すように、送電共振器２４０の入力インピーダンスが増加し、点Ａの電圧が上昇した場合は、インピーダンス制御部２５０は、図６（ｂ）の３および４の方向に点Aが移動するように、整合回路２２０の各回路定数を変化させる。一方、インピーダンスが減少し、点Ａの電圧が低下した場合は、インピーダンス制御部２５０は、図６（ｂ）の１および２の方向に点Aが移動するように、整合回路２２０の各回路定数を変化させる。

整合回路２２０の並列コンデンサＣ１、直列コンデンサＣ２、直列コイルＬには、公知の可変コンデンサおよび可変コイルを用いることができる。また、他の構成として、図７に示すように、異なる定数を有する複数のコンデンサおよび複数のコイルを並列に設置し、必要な定数に切り替えるという構成を用いてもよい。

図７に切り替え方式の整合回路４００の構成を示す。整合回路４００は、グランドに接続され、異なる定数を有する２つ以上のコンデンサを含む並列コンデンサ群Ｃ１０と、これらのコンデンサを選択する並列コンデンサ切り替え回路４１０とを有している。同様に、直列コンデンサ群Ｃ２０、これらのコンデンサを選択する直列コンデンサ切り替え回路４２０、直列コイル群Ｌ１０、これらのコイルを選択する直列コイル切り替え回路４３０とを含んでいる。並列コンデンサ切り替え回路４１０、直列コンデンサ切り替え回路４２０、および直列コイル切り替え回路４３０は、インピーダンス制御部２５０により制御される。

これらの切り替え回路４１０、４２０、４３０を用いた制御は、例えば、以下のように実行される。並列コンデンサ群Ｃ１０が、１０、２０、５０ｐＦの３種類の定数（容量）をそれぞれ有する３つのコンデンサを含む場合、これらの組み合わせにより、１０、２０、３０、５０、６０、７０、８０ｐＦの８通りの容量の設定が可能となる。なお、並列コンデンサ群４３０が有するコンデンサの数は任意であり、多くなるほど多種の容量の設定が可能となり、精度の高いインピーダンス整合を実現できる。このため、コンデンサの数を多くするほど、整合損失を抑えることができ、電力伝送効率を高めることができる。

以上のように、本実施形態によれば、非接触電力伝送システム１００は、送電共振器２４０に入力される交流信号を検出する整合検出部２３０を送電機２００側に有し、交流波形の変動に応じて整合回路２２０の回路定数を動的に制御する。このため、本実施形態の非接触電力伝送システム１００によれば、インピーダンス整合のために送受間の通信装置を別途設ける必要がない。また、整合検出部２３０により整合状態を常時検出してインピーダンス調整を行うため、負荷変動、特性変化に応じた動的なインピーダンス制御を行うことができる。さらに、供給電力制御部２６０を有するため、受電側の負荷変動に応じた電力供給を行うことができる。このように、本実施形態によれば、非接触電力伝送システムにおいて電力伝送効率を高めることが可能となる。

また、本実施形態では、磁気共振方式による無線電力伝送が行われるため、送電共振器２４０および受電共振器３１０間の距離および位置ずれの許容度が高い。このため、従来の電磁誘導方式による電力伝送に比べ、送電機および受電機の配置の自由度が増し、利便性を高めることができる。

なお、本実施形態では、図５に示すように、負荷インピーダンスが上昇してハイ・インピーダンス状態となったことを検出すると、電力供給を停止し、処理が終了するが、その後、インピーダンスが低下した場合は、再度電力供給を開始してもよい。そのような動作により、負荷状態が大きく変化する受電機においても継続した電力供給が可能となる。

また、本実施形態の非接触電力伝送システム１００は、供給電力制御部２６０によって交流電源２１０の出力を制御するが、このような制御は必ずしも必須ではない。本発明は、電源の制御を行わない構成においても同様に適用され得る。本発明は、上記の実施形態に限らず、送電共振器２４０に入力される交流信号の変動に基づいて、インピーダンス制御部２５０によるインピーダンス調整が行われれば、どのように構成されていてもよい。

本実施形態では、受電機３００は、整流回路３２０を備えているが、直流エネルギに変換せずに交流エネルギをそのまま利用する場合、整流回路３２０を備えていなくてもよい。また、受電機３００は、受け取った交流エネルギを、より低い周波数の交流エネルギに変換する周波数変換回路を備えていてもよい。

（実施の形態２）
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。本実施形態の非接触電力伝送システムは、電力供給開始直後は整合検出用の微弱信号を出力し、インピーダンス整合が完了した後に通常の電力を伝送することを特徴とする。これにより、インピーダンス整合完了後に通常使用状態の電力量による電力供給を開始するため、不整合状態での電力損失を抑制し、無駄な電力消費を抑えることが可能となる。

本実施形態における構成は、実施形態１における構成と同様であるが、供給電力制御部２６０による制御の動作が実施形態１とは異なっている。以下、実施形態１と異なる点を説明し、重複する事項についての説明は省略する。

図８は、本実施形態の動作を示すフローチャートである。まず、送電機２００から受電機３００に対して微弱交流信号が出力される（Ｓ２１０）。信号出力後、整合検出部２３０にて交流信号をモニターし、インピーダンス制御部２５０により、実施形態１と同様の方法で整合回路２２０をフィードバック制御してインピーダンス整合を行う（Ｓ２２０）。そして、インピーダンス整合完了後に供給電力制御部２６０により、交流電源２１０を制御して、通常の電力での電力供給を開始する（Ｓ２３０）。電力供給開始後、整合検出部２３０にて交流信号を常時モニターし、インピーダンス制御部２５０により整合回路２２０を制御してインピーダンス整合を行う（Ｓ２４０）。

その後、供給電力制御部２６０により、負荷インピーダンスが上昇してハイ・インピーダンス状態となったことを検出すると（Ｓ２５０）、供給電力制御部２６０は交流電源２１０の電力供給を停止させ（Ｓ２９０）、処理を終了する。

このように、本実施形態によれば、インピーダンス整合後に電力供給を開始するため、インピーダンス不整合時の電力損失を抑制し、装置の消費電力を低減することができる。また、受電機３００が無い場合には電力供給を行わないため、待機時の消費電力を低減することが可能となる。

なお、本実施形態では、図６に示すように、負荷インピーダンスが上昇してハイ・インピーダンス状態となったことを検出すると、供給電力制御部２６０は交流電源２１０の電力供給を停止させ（Ｓ２６０）、終了することとした。しかし、実施形態１と同様、その後インピーダンスが低下した場合は再度電力供給を開始する動作を行ってもよい。これにより、負荷状態が大きく変化する受電機においても継続した電力供給が可能となる。

（実施の形態３）
次に、本発明の第３の実施形態を説明する。本実施形態における非接触電力伝送システムは、負荷インピーダンス値から負荷の消費電力を算出し、算出された負荷の消費電力に基づいて交流電源２１０の供給電力を制御する。これにより負荷の消費電力に応じた電力供給が可能となるため、無駄な電力消費が発生せず、装置全体の伝送効率の改善、および装置の発熱を抑制することができる。以下、実施形態１と異なる点を中心に説明し、重複する点についての説明は省略する。

図９は、本実施形態における非接触電力伝送システム５００の構成を示す構成図である。なお、実施形態１と同様の構成を有するものについては同一符号を付す。本実施形態の非接触電力伝送システム５００は、電力を空間に送出する送電機６００と、送電機６００によって送出された電力の少なくとも一部を受け取り、負荷により電力を消費する受電機３００とから構成される。

送電機６００は、周波数ｆ０の交流電力を供給する交流電源２１０と、交流電源２１０に接続され送電側のインピーダンス整合を行う整合回路２２０と、整合回路２２０通過後の交流信号を検出する整合検出部２３０と、予め設定された固有の共振周波数を有し受電機３００へ非接触で電力を伝送する送信コイル２４０とを有する。インピーダンス制御部２５０は、整合検出部２３０が検出した交流信号に基づいて整合回路２２０の回路定数を変更し、インピーダンス整合を行う。そして、この整合インピーダンス値から負荷３３０のインピーダンス値を推定する。また、電力算出部６１０は、インピーダンス制御部２５０によって推定された負荷インピーダンス値に基づいて、負荷３３０の消費電力を算出する。そして、供給電力制御部２６０は、電力算出部６１０が算出した消費電力に応じた電力を供給するように交流電源２１０を制御する。

電力算出部６１０は、不図示のメモリに記録された、負荷３３０のインピーダンス値の変化量に対する消費電力の対応関係を示す情報に基づき、交流電源２１０の出力を制御する。この対応関係は、例えば、テーブルデータとして規定されていてもよいし、計算式として規定されていてもよい。

以下、図１０を参照しながら、本実施形態の電力算出部６１０の動作を説明する。本実施形態では、送電機６００および受電機３００の位置関係が固定である状態が望ましい。そして、受電機３００の負荷３３０の消費電力の変動により、動的にインピーダンスが調整される状況を想定する。

図１０に、電力算出部６１０の動作のフローチャートを示す。まず、整合検出部２３０にて交流信号をモニターし、交流信号の波形の変動に基づいてインピーダンス制御部２５０により整合回路２２０の回路定数の変更、および負荷のインピーダンス値の推定が行われる（Ｓ３１０）。その際、負荷のインピーダンス値を示す情報がインピーダンス制御部２５０から電力算出部６１０へ送られる。電力算出部６１０は、その負荷インピーダンス値に基づいて、負荷３３０の消費電力値を算出する（Ｓ３２０）。そして、供給電力制御部２６０は、電力算出部６１０にて算出した電力を出力するように、交流電源２１０の出力を制御する（Ｓ３３０）。

以上の動作により、負荷３３０が必要とする最適値での電力供給が可能となる。一般に、負荷３３０の消費電力以上の電力が供給されると、余剰電力は交流電源２１０から負荷３３０までの間で熱として消費される。例えば、送電共振器２４０および受電共振器３１０で、電力が熱として消費され発熱するため、その放熱対策が必要となる。

しかし、本実施形態の非接触電力伝送システム５００によれば、負荷３３０が必要な電力しか供給しないため、余剰電力による発熱を抑制することができる。

以上のように、本実施形態によれば、非接触電力伝送システム５００は、負荷３３０の消費電力に応じた電力供給を行うため、無駄な電力消費が発生せず、効率の良い電力伝送を行うことが可能となる。また、装置の発熱を抑えることができるため、放熱構造を簡素化でき、装置の小型化、およびコストダウンを実現することができる。

なお、本実施形態においてインピーダンス制御部２５０が出力する負荷インピーダンス値が電力算出部６１０に記憶された値以外の値である時は、供給電力制御部２６０により電力供給を停止する動作を行ってもよい。このような動作により、異物など正規の受電機以外への給電を停止することができるため、装置の安全性の向上を図ることができる。また、想定外の受電機への電力供給を行わないため、盗電防止対策としても有効である。

（他の実施の形態）
以上、本発明の実施例として、実施形態１から３を例示して説明した。しかし、本発明はこれらの実施形態には限定されない。以下、本発明の他の実施形態を説明する。

上記の各実施形態においては、交流電力を出力する交流電源２１０が用いられている。この交流電力によって送電共振器２４０および受電共振器３１０による磁気共振現象を利用した非接触の電力伝送が実現する。しかしながら、本発明では、このような磁気共振方式による電力伝送に限らず、例えば、従来の電磁誘導方式を採用してもよい。

従来の電磁誘導方式による場合、電源として上記の交流電源２１０を用いる代わりに、例えば、商用交流電源（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）を用いることも可能である。また、送電共振器２４０および受電共振器３１０の代わりに、高い結合係数をもつコイルの対を用いることができる。このような構成においても、本発明による上記インピーダンス制御を利用することが可能である。

本発明によれば、送電機側の状態を検出することによって効率的な非接触電力伝送を実現できるため、携帯電子機器や電気自動車などの電気機器に搭載する非接触電力伝送システムとして有用である。

２１ スイッチング素子
２２、２３ コイル
２４、２５ コンデンサ
１００、５００ 非接触電力伝送システム
２００、６００ 送電機
２１０ 交流電源
２２０、４００ 整合回路
２３０ 整合検出部
２４０ 送電共振器
２５０ インピーダンス制御部
２６０ 供給電力制御部
３００ 受電機
３１０ 受電共振器
３２０ 整流回路
３３０ 負荷
４１０ 並列コンデンサ切り替え回路
４２０ 直列コンデンサ切り替え回路
４３０ 直列コイル切り替え回路
６１０ 電力算出部

Claims (22)

1. 電源から供給された交流エネルギの少なくとも一部を送出する送電共振器と、
   前記送電共振器によって送出されたエネルギの少なくとも一部を受け取る受電共振器と、
   前記電源および前記送電共振器の間に接続された整合回路と、
   前記整合回路の出力に基づく交流信号を検出する検出部と、
   前記検出部によって検出した前記交流信号に基づいて、前記送電共振器の入力インピーダンスと前記電源の出力インピーダンスとを整合させるように前記整合回路を制御するインピーダンス制御部と、
   を備える非接触電力伝送システム。
2. 前記電源をさらに備える請求項１に記載の非接触電力伝送システム。
3. 前記送電共振器の共振周波数および前記受電共振器の共振周波数は、前記電源から出力される前記交流エネルギの周波数に等しい値に設定されている、請求項１または２に記載の非接触電力伝送システム。
4. 前記送電共振器および前記受電共振器の少なくとも一方は、直列共振回路である、請求項１から３のいずれかに記載の非接触電力伝送システム。
5. 前記送電共振器および前記受電共振器の少なくとも一方は、並列共振回路である、請求項１から３いずれかに記載の非接触電力伝送システム。
6. 前記インピーダンス制御部は、前記交流信号の波形に基づいて前記整合回路のインダクタンスおよび容量の少なくとも一方を変化させることによって前記送電共振器の入力インピーダンスと前記電源の出力インピーダンスとを整合させる、請求項１から５のいずれかに記載の非接触電力伝送システム。
7. 前記受電共振器が受け取った交流エネルギを直流エネルギに変換する整流部をさらに備えている、請求項１から６のいずれかに記載の非接触電力伝送システム。
8. 前記受電共振器が受け取った交流エネルギの少なくとも一部を消費する負荷をさらに備えている、請求項１から７のいずれかに記載の非接触電力伝送システム。
9. 前記整合回路は、可変コンデンサおよび可変コイルの少なくとも一方を有し、前記インピーダンス制御部からの指示に基づき、前記可変コンデンサの容量および前記可変コイルのインダクタンスの少なくとも一方を変化させることによって前記送電共振器の入力インピーダンスと前記電源の出力インピーダンスとを整合させる、請求項１から８のいずれかに記載の非接触電力伝送システム。
10. 前記整合回路は、並列に接続された複数の回路素子を有する切り替え式の回路であり、前記インピーダンス制御部からの指示に基づき、前記複数の回路素子の組み合わせを切り替えることにより、前記送電共振器の入力インピーダンスと前記電源の出力インピーダンスとを整合させる、請求項１から８のいずれかに記載の非接触電力伝送システム。
11. 前記電源から出力される交流エネルギの量を制御する電力制御部をさらに備え、
    前記インピーダンス制御部は、前記交流信号から前記負荷のインピーダンス値を推定し、
    前記電力制御部は、前記インピーダンス制御部によって推定された前記負荷のインピーダンス値に基づいて、前記電源の出力を制御する、請求項１から１０のいずれかに記載の非接触電力伝送システム。
12. 前記電力制御部は、前記負荷のインピーダンス値が予め設定された閾値を超えた場合に、前記電源の出力を停止させる、請求項１０に記載の非接触電力伝送システム。
13. 前記電力制御部は、前記負荷のインピーダンス値が予め設定された閾値より低くなった場合に、前記電源の出力を復帰させる、請求項１１に記載の非接触電力伝送システム。
14. 前記電力制御部は、前記送電共振器の入力インピーダンスと前記電源の出力インピーダンスとの間のインピーダンス整合が完了するまでは、前記電源の出力を相対的に低いレベルに抑え、前記送電アンテナのインピーダンス整合が完了した後は、前記電源の出力を相対的に高いレベルにする、請求項１０から１３のいずれかに記載の非接触電力伝送システム。
15. 前記インピーダンス制御部によって推定された前記負荷のインピーダンス値に基づいて、前記電源に出力させる前記交流エネルギの量を算出する電力算出部をさらに備え、
    前記電力制御部は、前記電力算出部が算出した量の前記交流エネルギを前記電源に出力させる、請求項１０から１４のいずれかに記載の非接触電力伝送システム。
16. 前記電力算出部は、前記負荷のインピーダンス値が予め設定された値以外の場合は、前記電源に出力させる電力の量をゼロに設定する、請求項１５に記載の非接触電力伝送システム。
17. 前記交流エネルギは、磁気共振現象によって前記送電共振器から前記受電共振器へと伝送される、請求項１から１６のいずれかに記載の非接触電力伝送システム。
18. 前記電源は、周波数１ＭＨｚ以上の交流信号を前記整合回路に入力する発振回路を備えている、請求項１から１７のいずれかに記載の非接触電力伝送システム。
19. 前記発振回路は、Ｅ級発振回路である、請求項１８に記載の非接触電力伝送システム。
20. 請求項１から１９のいずれかに記載の非接触電力伝送システムにおいて用いられる送電装置であって、
    電源から供給された交流エネルギの少なくとも一部を送出する送電共振器と、
    前記電源および前記送電共振器の間に接続された整合回路と、
    前記整合回路の出力に基づく交流信号を検出する検出部と、
    前記検出部によって検出した前記交流信号に基づいて、前記送電共振器の入力インピーダンスと前記電源の出力インピーダンスとを整合させるように前記整合回路を制御するインピーダンス制御部と、
    を備える送電装置。
21. 前記電源をさらに備える、請求項２０に記載の非接触送電装置。
22. 請求項１から１９のいずれかに記載の非接触電力伝送システムにおいて用いられる受電装置であって、
    前記送電共振器によって送出されたエネルギの少なくとも一部を受け取る受電共振器と、
    前記受電共振器が受け取ったエネルギの少なくとも一部を消費する負荷と、
    を備える受電装置。

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